束红梅,何晓兰,崔晓霞,倪万潮,郭书巧

(江苏省农业科学院 经济作物研究所，江苏 南京 210014)

栝楼(TrichosantheskirilowiiMaxim.)是葫芦科栝楼属多年生宿根攀援草本植物。近年来，栝楼用途不断被开发，除了作为中药材外，其种子被开发为休闲保健食用栝楼籽、栝楼油等。栝楼雌雄异株，雌株以收栝楼籽为主，雄株以收获根为主。因此，在生产中因种植目的不同，雌雄株种植比例存在差异。目前，生产中栝楼繁殖主要通过根茎营养繁殖控制植株性别，存在繁殖系数低、耗费大量根茎(天花粉原材料)、种苗价格贵、易携带病毒等问题。为提高栝楼的种植面积和效益，用种子繁殖是一种经济实用的方法，但研究认为种子繁殖时雌株只占10%～30%，雌雄株比例严重失调且无法控制[1]。因此若能明确雌雄栝楼苗期差异及其性别形成机制，可为通过种子繁育培育优质栝楼提供鉴定方法。因此，本文主要综述了雌雄栝楼形态、生理、多态性标记等方面的差异，以及其他雌雄异株植物性别决定机制的研究进展，为研究和鉴定栝楼雌雄植株差异提供参考依据。

1 雌雄栝楼的差异

1.1 雌雄栝楼的形态差异

目前，对雌雄栝楼形态方面的研究表明，苗期雌雄栝楼植株形态无明显差异，直到开花期雌雄栝楼在花器官上表现出明显差异。栝楼花为雌雄异株，仅有雌花、雄花2种花性别分化，其形态、分化时期存在差异[2]。栝楼雄花为单性花[2]，包括花托、花萼、花瓣、雄蕊，分化阶段包括雄花花芽未分化期、花芽分化初期、花序分化期、花萼原基分化期、花瓣原基分化期及雄蕊原基分化期共6个时期，在整个发育过程中仅见雄蕊原基的分化及生长。栝楼雌花为两性花[2]，包括花托、花萼、花瓣、子房、柱头、花柱、退化雄蕊，分化阶段包括花芽未分化期、花芽花序分化期、萼片原基分化期、花瓣原基分化期、雄蕊原基分化期、雌蕊原基分化期及雄蕊原基退化期共7个时期，在整个发育期存在雌蕊和雄蕊的共同发育阶段，但是随后雄蕊发育失败。

1.2 雌雄栝楼的生理差异

为了解雌雄栝楼的生理差异，前人利用多种检测方法比较了栝楼雌雄植株的多个生理指标，包括植物激素、多胺、可溶性糖、光合色素、内源保护酶等，发现雌雄植株的这些生理指标存在差异。郭晓亮[3]研究发现，雄性栝楼幼苗叶片中水溶性酚类物质、光合色素、可溶性糖、叶绿素、类胡萝卜素等含量均显著高于雌性，而雌性栝楼叶片中还原糖含量则高于雄性植株。李珊等[4]以幼嫩栝楼叶片为材料研究发现，雄株的光合色素、可溶性蛋白质含量、超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)酶活性均高于雌株，而雌株的丙二醛(MDA)、可溶性糖含量高于雄株。曲超等[5]研究发现，苗期栝楼雄株叶片中水溶性酚含量显著高于雌株，而雌株叶片中可溶性糖、脱落酸(ABA)和玉米素核苷(ZR)的含量均显著高于雄株。刘芸等[6]对不同生长阶段的栝楼叶片激素含量的分析发现，在检测的各生长阶段，雄株中脱落酸含量均高于雌株，而雌株栝楼吲哚乙酸含量高于雄性植株；但玉米素核苷、赤霉素在栝楼不同生长阶段表现不太一致，在营养生长期，其在雄株中的含量高于雌株；进入生殖期后，雄株中玉米素核苷、赤霉素含量下降。同时刘芸等[7]研究发现，在营养生长阶段，雄株栝楼叶片的光合速率、蒸腾速率、气孔导度和水分利用效率均大于雌株；雄株比雌株提前进入生殖生长阶段，当雄株进入生殖生长阶段后，其光合速率、蒸腾速率和气孔导度均大于雌株，但水分利用效率略小于雌株；当雌株进入生殖生长阶段后，其蒸腾速率和气孔导度大于雄株，而光合速率和水分利用效率显著小于雄株。

综合比较前人的研究结果发现，雌雄栝楼存在生理差异，但是在不同时期不同研究中同一指标在雌雄株间的结果不太一致，这也说明单纯依靠生理指标来比较栝楼雌雄株差异受到多种因素的影响。所以普遍认为不能通过生理指标的差异来准确鉴定出雌雄栝楼植株。

1.3 雌雄栝楼的多态性标记研究

前期研究人员通过比较栝楼雌雄株的过氧化物酶、多酚氧化酶同工酶活性及条带差异来研究雌雄栝楼差异。于凤池等[8]研究发现，栝楼雌株叶片的过氧化物同工酶活性高于雄株，且雌株叶片中有一条特异性的过氧化物酶同工酶谱带；孙永刚[9]在栝楼叶片中得到4条与性别相关的过氧化物氧化酶谱带，其中3条是与雌株相关的多酚氧化酶条带。

随着分子标记技术的发展，近年来研究人员利用多种标记方法鉴定到一些与栝楼性别相关的多态性标记。孙永刚[9]检测到71个AFLP多态性标记，其中40条来自雌株、31条来自雄株。曲益涛等[10]利用RAPD体系得到1条600 bp雄株特异条带，并将其转化为SCAR标记。但其他实验室[11]未能通过此标记有效鉴定出栝楼雌雄植株。Nanda等[12]利用ISSR引物在雄性野蛇瓜(TrichosanthesdioicaRoxb.)中得到一条720 bp特异条带。

由此可以看出，虽然研究人员通过不同方法对栝楼雌雄植株的多态性标记进行了研究，但目前尚未得到有效稳定地区分苗期雌雄栝楼的标记。说明目前所获得的标记具有一定的局限性。

2 雌雄异株植物性别决定机制

植物的性别决定不同于动物，其具有不稳定性和多样性的特点。近年来，随着遗传学和基因组学的快速发展，在植物性别研究方面取得了一些进展，主要集中在性染色体、性别决定基因、激素调控3个方面。

2.1 雌雄异株植物性染色体的类型

在有花植物中，雌雄异株植物仅占6%[13]，而且仅在少部分雌雄异株植物中发现性染色体[14]，一般分为同型性染色体(XX与ZZ)和异型性染色体(XY与ZW)2种类型，最为常见的是XY型[13,15-16]。

植物性染色体是由1对常染色体进化而来，而且植物性染色体的发育包括几个阶段[13]。进化初期的性染色体与常染色体无法从形态上区分,这类性染色体至少在20个被子植物中存在,如弗吉尼亚草莓、芦笋和番木瓜等[17]。在进化过程中,性染色体逐渐形成自身的形态特征,演变成异型的性染色体,主要表现为X(Z)与Y(W)染色体之间以及性染色体与常染色体之间长度上的差异。性染色体进化的一个主要阶段就是重复序列的累积，异染色质的触发和重组抑制现象的出现致使性染色体结构和形态发生分化，从而引发Y染色体退化以及X染色体剂量补偿效应，最终导致性染色体的进化[13,15]。

目前，具有性染色体的植物较少，这可能与多数雌雄异株植物进化时间较短有关，许多雌雄异株植物性染色体于相对近期形成。但是，研究人员认为所有的雌雄异株植物都具有进化出性染色体的潜能[13]。栝楼作为雌雄异株植物，其是否存在性染色体？有人对栝楼属大苞栝楼(Trichosanthesbracteata)的染色体进行了研究，发现其不存在性染色体[18]，雌雄大苞栝楼的染色体核型一致。栝楼是否也跟这个同属植物相似而不存在性染色体，有待进一步研究。

2.2 雌雄异株植物性别决定基因的鉴定

植物性别由性染色体决定，但是性染色体上大部分基因并不直接参与性别决定，个体分化为雌性还是雄性依赖于性别决定区域的关键基因[13]。性别决定基因是决定雌雄异株植物性别形成的关键因子，对于含有性染色体的植物，性别决定基因位于性染色体上[19]。目前，关于性别决定基因的研究主要集中在对性染色体连锁基因以及花器官发育相关基因的克隆与功能鉴定上。从性染色体连锁基因入手，挖掘雌雄性器官特异表达的基因，是鉴定性别决定基因普遍采用的方法。研究表明典型的雌雄异株植物菠菜、芦笋的性别决定基因已定位到相应的连锁群[20-21]。

随着分子生物学技术的发展，近期对性别决定基因的鉴定主要通过基因组、转录组等高通量测序方法来筛选目的基因。Jia等[22]通过基因组测序、重测序及转录组测序对雌雄异株果树杨梅进行比较，在8号染色体上发现一段59 kb的雌性特异区域，该区域包含7个预测基因，其中4个可能与雌雄花性别决定相关。Akagi等[23-25]通过基因组和转录组测序分析了雌雄异株的柿属二倍体种君迁子、六倍体栽培柿、弥核桃，鉴定出这3种植物的雌雄决定基因。在君迁子(Diospyroslotus)Y染色体上鉴定出性别决定基因OGI[25]；在六倍体栽培柿(Diospyroskaki)中发现性染色体上OGI基因和常染色体上的MeGI基因协同调控柿雌雄发育[23]；在猕猴桃Y染色体上鉴定到的性别相关基因是一个细胞分裂素响应调节基因SyGI[24]。这些性别决定基因通过不同的作用机制来调控雌雄性别的形成。

2.3 雌雄异株植物性别的激素调控研究

一般认为，植物性别受成花物质的形成和积累支配，激素对性别的调控主要是通过激素调控成花物质的水平而引起性别的改变[26]。研究表明[26-27]，内源激素、生长调节剂的含量和(或)比率与性别分化存在一定的联系。相同激素在不同植物性别分化的调控作用不尽相同，有时甚至是相反的[26]。黄瓜中生长素和赤霉素对花发育的影响是间接的[26]，它们分别增加或减少了内源乙烯的含量，而高水平的乙烯含量会促使心皮发育、抑制雄蕊发育；玉米中给雄穗添加赤霉素可使雄穗变为雌性，而消耗内源赤霉素会使雌穗变为雄穗[28]。而且在某些植物中，雌雄性别决定基因是植物激素生物合成相关基因。在雌雄同株的玉米中克隆出了2个性别决定基因分别影响油菜素内酯和茉莉酸的生物合成[28-30]；在黄瓜中分离到2个控制性别的基因分别是乙烯生物合成相关基因CS-ACS2和CS-ACS1G[31];在甜瓜中，克隆到1个性别决定基因是乙烯生物合成相关基因CmACS-7[32]。

由此可以看出，激素以及激素合成相关基因在植物性别形成中起着重要作用，但是目前关于激素对植物性别调控的研究主要集中在雌雄同株植物，尚未有激素对雌雄异株植物调控的研究。

3 栝楼性别鉴定及调控的研究展望

从雌雄栝楼的形态、生理、多态性标记的研究可以看出，目前尚未有切实可行的方法在苗期鉴定栝楼雌雄株。基于其他雌雄异株植物性别决定机制的研究情况，对后续栝楼的性别鉴定以及调控研究提出以下建议：(1)对栝楼雌雄株不同生长时期植株形态、染色体结构进行研究，明确雌雄栝楼的形态特征及是否存性染色体。(2)对不同生长时期栝楼雌雄株进行转录组测序，筛选出雌雄栝楼的差异基因及代谢途径。并利用ISSR分子标记构建栝楼雌雄植株的DNA指纹图谱，寻找与性别相关的分子标记。明确与栝楼雌雄性别相关的基因和多态性位点。(3)对不同生长时期栝楼雌雄株的激素含量、生长物质测定分析雌雄栝楼的生理差异。并分析外源生长调节物质对栝楼雌雄比例的影响，寻找栝楼雌雄株的激素代谢差异及调控栝楼雌雄比例的生长调节剂。